旋喷桩复合地基承载特性分析

2017-10-13孙梦杰

河南城建学院学报 2017年4期

关键词：桩间单桩桩体

孙梦杰

(重庆交通大学河海学院，重庆 400041)

旋喷桩复合地基承载特性分析

孙梦杰

(重庆交通大学河海学院，重庆 400041)

某边坡主滑面为土岩交界面，整体稳定性不满足规范要求，故需对边坡进行处理。拟采用高压旋喷桩对该边坡进行地基处理。对旋喷桩桩体、桩间土及复合地基分别做单桩竖向抗压静载试验、桩间土静载试验及单桩复合地基载荷试验，分析其Q-s、P-s曲线图,确定单桩竖向承载力特征值、桩间土及复合地基承载力特征值。结果表明：旋喷桩处理红黏土形成复合地基，提高了土体的抗剪强度和地基承载力；对比分析了由桩体、桩间土的承载力特征值等参数确定复合地基承载力特征值的几种方法；由桩土应力比n及折减系数λ计算复合地基承载力时，计算值与实测值基本一致。

高压旋喷桩；复合地基；承载力

Abstract：The main sliding surface of a slope is the interface of soil rock, and the whole stability does not meet the requirement of specifications, so the slope should be treated. A high-pressure jet grouting pile is proposed to treat the slope with foundation treatment. The vertical compressive static load test of pile, soil and composite foundation of the jet grouting pile are carried out respectively. The static load test of pile and the load test of single pile composite foundation are analyzed, theQ-sandP-scurves are determined, the characteristic value of vertical bearing capacity of single pile, the bearing capacity of soil and composite foundation of pile are confirmed. The results show that the composite foundation is treated by the jet grouting pile, which improves the shear strength and the bearing capacity of the soil. Several methods of determining the bearing capacity eigenvalue of composite foundation by the parameters of the bearing capacity of pile and soil are compared and analyzed. When the bearing capacity of composite foundation is calculated by the stress rationand the reduction coefficientλof pile-soil, the calculated value is basically consistent with the measured value.

Keywords：high-pressure jet grouting pile; composite foundation; bearing capacity

在岩土工程中，对于淤泥、淤泥质土等其他高压缩性土构成的软土地基，一般不宜直接作为天然地基，须经过有效的地基处理才能使用[1-2]。常用的处理软土地基的方法有：换填法、强夯法、高压喷射注浆法、深层搅拌法等[3-4]。本文主要介绍旋喷桩在处理红黏土地基时形成复合地基的应用。

高压旋喷桩的基本原理：利用钻机，把注浆管钻进至预定土层深度，然后以20～40 MPa的压力，把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流，使土体结构破坏，并与浆液混合，形成水泥土桩体[5-6]。宋兴海等结合某地区旋喷桩复合地基现场载荷试验对复合地基承载力的确定做了探讨[7]；范子中等通过载荷试验，对高压旋喷桩单桩复合地基承载力的实测值与计算值进行对比，并取其P-s曲线进行了拟合分析[8]；李小杰对高压旋喷桩复合地基的承载力、沉降量实测值与计算值进行了对比分析[1]；安关峰、姚贤华等对高压旋喷桩复合地基的承载特性进行了数值分析[9-10]。本文以高压旋喷桩形成复合地基，在旋喷桩和重力式挡墙的共同作用下，对比分析了桩体、桩间土、复合地基的承载特性。

1 工程概况

重庆某工程位于南山区吉祥路口西侧，拟建场区属斜坡地形。场地周围未见断层、滑坡、边坡失稳等不良地质作用，地质构造较简单。场地内岩土分层由上至下依次为：素填土、杂填土、红黏土、灰岩、泥灰岩、页岩。岩土边坡设计参数如表1所示。

表1 岩土边坡设计参数表

本项目施工完成后，局部将形成较高的回填区域，经计算，该回填区局部边坡整体稳定性不满足规范要求，主滑面为土岩交界面，故需对边坡进行处理。

2 地基处理采用方案

该施工场地多为红黏土，拟采用高压旋喷桩进行地基处理，形成复合地基以增强覆盖层的抗剪强度，在重力式挡墙加旋喷桩的共同作用下，使边坡整体稳定性满足规范要求。

旋喷桩布置方式为：直径800 mm。31#楼、32#楼及相关范围的旋喷桩间距为2 m；38#楼、39#楼、40#楼及其相关范围的旋喷桩间距为3 m；54#楼、55#楼、56#楼、57#楼及其相关范围的旋喷桩间距为5 m。

该工程选用42.5级普通硅酸盐水泥，采用双管法的高压水泥浆压力≥30 MPa，流量≥60 L/min，气流压力0.7 MPa，提升速度为0.1～0.2 m/min，上述参数均可根据现场实际情况在合理范围内调整。红黏土①采用水泥526 kg/m3、水526 kg/m3、加固土658 kg/m3；红黏土②采用水泥570 kg/m3、水570 kg/m3、加固土633 kg/m3；水泥土配合比为1.0。

3 承载特性

3.1载荷试验

为了确定复合地基的承载特性，在旋喷桩复合地基施工结束后，分别做单桩竖向抗压静载试验、桩间土地基静载荷试验及复合地基静载荷试验。

单桩竖向抗压静载试验采用慢速维持荷载法，试验对32#楼挡墙区域的3根旋喷桩进行了竖向抗压静载试验，桩号为252～254。各试桩基本概况见表2。

表2 单桩承载力特征值

单桩竖向抗压静载试验用堆载平台上的混凝土块作为反力装置。加载系统由压重荷载、千斤顶等组成。3组单桩载荷试验Q-s曲线如图1所示。

为了确定桩间土地基承载力特征值，对位于32-230#桩到32-229#桩桩间土区域内做静载荷试验。试验采用刚性压板置于试点上，千斤顶平放于刚性压板的中心。压板下设不超过20 mm厚的中粗砂找平层，压板形状为圆形。根据各级荷载及相对应的地基沉降量绘制P-s曲线如图2所示。

为了确定复合地基承载力特征值，对桩号分别为236#、234#、229#所分担处理的面积区域进行试验，单桩分担处理的区域内土层为红黏土，桩径为800 mm，桩长10 m，桩间距为2 m，处理地基等效圆直径为2.1 m，面积为3.46 m2。根据各级荷载及相对应的地基沉降量绘制P-s关系曲线如图3。

图1 单桩载荷试验曲线图2 桩间土载荷试验曲线图3 单桩复合地基载荷试验曲线

在Q-s曲线、P-s曲线的基础上，检测数据经处理分析后，根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)规定的确定单桩竖向承载力特征值Ra及单桩复合地基承载力特征值fspk(本次试验s/b=0.008)，桩间土地基承载力确定时，当板面积为0.25～0.5 m2，可取s/b=0.01～0.015所对应荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。

终止加载试验条件的前一级荷载为静载试验的极限荷载。试验结果见表3、表4、表5。

表3 单桩承载力特征值

表4 桩间土承载力特征值

表5 单桩复合地基承载力特征值

从表3～表5试验结果可以看出：

(1) 比例界限不明显，随着竖向荷载的增加，旋喷桩单桩Q-s曲线、桩间土及单桩复合地基P-s曲线基本呈线性增加，接着曲线比较平缓，然后进入陡降段，说明随着荷载的增加，高压旋喷桩复合地基的P-s曲线，与地基破坏过程经历的压密、剪切和破坏三个阶段相吻合；

(2) 单桩竖向抗压静载试验，在桩径相同的条件下，各试验点单桩承载力特征值有所不同，桩长不同，单桩承载力特征值也有所不同。

3.2实测值与计算值的比较

目前复合地基承载力的确定采用的计算模式还是先分别确定桩体及桩间土的承载力，然后按一定的原则叠加得到复合地基承载力[11]。计算方法一般有应力比法和面积比法。

采用应力比法确定复合地基承载力可按式(1)计算[12]：

Pf=[m(n-1)+1]Psf

(1)

式中：Psf为桩间土极限承载力；m为面积置换率；n为桩土应力比。

应力比n是复合地基的一个重要设计参数，目前还没有成熟的计算方法，多用经验估计，用桩土模量比计算应力比的公式为[10]：

(2)

式中：Ep为桩体变形模量，单位kPa；Es为桩间土变形模量，单位kPa。

通过文献对比，发现应力比法大多用于散体土类桩即柔性桩，而旋喷桩属于水泥土桩即半刚性桩，一般采用面积比法[13]，如式(3)所示：

fspk=mfpk+λ(1-m)fsk

(3)

式中：fpk、fsk为桩体、桩间土的承载力特征值；λ为桩间土承载力折减系数，取值为0.1～1.0。其中面积置换率m可按照《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)中的规定计算[14]，如式(4) 所示：

(4)

式中：d为桩身平均直径，本次试验取0.8 m；de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，等边三角形布桩de=1.05s，s为桩间距，本次试验取2 m；由此可得面积置换率m=0.145。

对于桩间土承载力折减系数λ，假设当桩体达到极限承载力fp(取三根单桩的极限承载力的平均值754.66kN)时，桩体和桩间土的变形量一致，则可以利用此时桩间土的位移变形量找出在P-s曲线上所对应的承载力fs(对应P-s曲线取为143 kPa)，若以此时桩间土的承载力与桩体承载力之比来作为桩间土承载力系数，如式(5)所示：

(5)

将m=0.1451，λ=0.1代入公式(4)，得到旋喷桩复合地基承载力特征值为fspk=115.33 kPa。

此外，文献[15]得到的桩土应力比公式为：

(6)

确定n值，代入式(7)

(7)

计算得到n=10.45,λ=0.42。代入公式(4)，得到旋喷桩复合地基承载力特征值为fspk=135.02 kPa。

可见，由桩间土发挥的承载力与桩体极限承载力之比作为折减系数λ，即λ=0.1时，fspk=115.33 kPa与实测值fspk=134.6 kPa相比，偏于保守，由桩间土承载力特征值与单桩承载力特征值之比作为桩土应力比n，结合面积置换率m得到的折减系数即λ=0.42，fspk=135.02 kPa与实测值fspk=134.6 kPa基本吻合。